VYUŽITÍ SLUNEČNÍ ENERGIE PRO CHLAZENÍ A KLIMATIZACI

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV ELEKTROENERGETIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF ELECTRICAL POWER ENGINEERING

VYUŽITÍ SLUNEČNÍ ENERGIE PRO CHLAZENÍ A KLIMATIZACI

DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER‘S THESIS

AUTOR PRÁCE AUTHOR

BRNO 2010

Bc. PETR CHLÁDEK

Bibliografická citace práce: CHLÁDEK, P. Využití sluneční energie pro chlazení a klimatizaci. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2010. 54 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Petr Mastný, Ph.D.

Prohlašuji, že jsem svou diplomovou práci vypracoval samostatně a použil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v přiloženém seznamu.

……………………………

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav elektroenergetiky

Diplomová práce

Využití sluneční energie pro chlazení a klimatizaci Bc. Petr Chládek

vedoucí: Ing. Petr Mastný, Ph.D. Ústav elektroenergetiky, FEKT VUT v Brně, 2010

Brno

BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Faculty of Electrical Engineering and Communication Department of Electrical Power Engineering

Master’s Thesis

Using solar energy for refrigeration and air conditioning by

Bc. Petr Chládek

Supervisor: Ing. Petr Mastný, Ph.D. Brno University of Technology, 2010

Brno

Abstrakt

6

ABSTRAKT Tato práce pojednává o využití sluneční energie pro chlazení a klimatizaci. Informuje o množství slunečního záření, které dopadá na naši planetu, typech slunečních kolektorů a popisuje systémy, které lze použít ke chlazení a klimatizaci. Práce se dále zabývá výpočtem a návrhem kombinovaného systému pro ohřev TUV, přitápěním a chlazením. V poslední části řešíme investiční náklady a návratnosti systému.

KLÍČOVÁ SLOVA:

chlazení; zisk; sluneční kolektory; absorpční systém; náklady; návratnost.

Abstract

7

ABSTRACT This thesis is dealing with the usage of solar energy for cooling and air-conditioning. Notification of the quantity of solar power which incidents to the Earth, types of solar power collector and discribes systems which are applicable for cooling and air-conditioning. Next part deal with calculation and proposal of combined system for warming-up domestic hot water, heating a bit more and cooling. In the last part I solve the capital expenditure and system´s economic return.

KEY WORDS:

cooling, profit, solar power collectors, absorbing systém; cosi; economic return.

Obsah

8

OBSAH SEZNAM OBRÁZKŮ................................................................................................................................10 SEZNAM TABULEK ................................................................................................................................11 SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK.......................................................................................................12 1 ÚVOD .......................................................................................................................................................13 2 CÍL PRÁCE .............................................................................................................................................14 3 SLUNEČNÍ ENERGIE...........................................................................................................................15 3.1 SLUNCE:............................................................................................................................................15 3.2 SLUNEČNÍ ENERGIE NA ZEMI: .........................................................................................................15 3.3 SOLÁRNÍ ZÁŘENÍ V ČR ....................................................................................................................17 3.4 SHRNUTÍ VYUŽITELNOSTI SOLÁRNÍHO ZÁŘENÍ V ČR ...................................................................18 4 SOLÁRNÍ KOLEKTORY A SOUSTAVY...........................................................................................19 4.1 ROZDĚLENÍ SOLÁRNÍCH KOLEKTORŮ ............................................................................................19 4.1.1 PLOCHÉ DESKOVÉ ...................................................................................................................19 4.1.2 PLOCHÉ DESKOVÉ – VAKUOVÉ ...............................................................................................20 4.1.3 TRUBICOVÉ VAKUOVÉ ............................................................................................................20 4.2 UMÍSTĚNÍ SLUNEČNÍCH KOLEKTORŮ .............................................................................................22 4.3 ÚČINNOST SOLÁRNÍCH KOLEKTORŮ ..............................................................................................24 4.4 ZHODNOCENÍ ....................................................................................................................................27 5 PRINCIP ABSORPČNÍHO CHLAZENÍ .............................................................................................28 5.1 CO JE ABSORPČNÍ OBĚH?.................................................................................................................28 5.2 JAK PRACUJE ABSORPČNÍ OBĚH?....................................................................................................28 5.3 ABSORPČNÍ SYSTÉM .........................................................................................................................28 5.4 POROVNÁNÍ ABSORPČNÍHO SYSTÉMU S KOMPRESOROVÝM .........................................................29 6 KLIMATIZAČNÍ JEDNOTKY PRO VYUŽITÍ SOLÁRNÍCH SYSTÉMU....................................30 6.1 PRINCIPY SYSTÉMŮ ..........................................................................................................................30 6.1.1 SYSTÉMY S UZAVŘENÝM CYKLEM ..........................................................................................30 6.1.2 DESIKAČNÍ SYSTÉMY S OTEVŘENÝM CYKLEM........................................................................32 6.2 DOSTUPNÉ A VYVÍJEJÍCÍ SE CHLADÍCÍ JEDNOTKY NA TRHU .........................................................34 7 SOLÁRNÍ SOUSTAVY..........................................................................................................................35 7.1 POUZE CHLAZENÍ .............................................................................................................................35 7.2 OHŘEV TUV A CHLAZENÍ ................................................................................................................35 7.3 OHŘEV TUV, VYTÁPĚNÍ A CHLAZENÍ .............................................................................................36 8 VÝPOČET KOMBINOVANÉHO ZAŘÍZENÍ PRO OHŘEV TUV, VYTÁPĚNÍ A CHLAZENÍ.37 8.1 TEPLO POTŘEBNÉ K PŘÍPRAVĚ TEPLÉ VODY ..................................................................................37 8.2 TEPLO POTŘEBNÉ K VYTÁPĚNÍ .......................................................................................................37

Obsah

9

8.3 TEPLO POTŘEBNÉ NA VÝROBU CHLADU .........................................................................................38 8.4 TEPELNÉ ZISKY SOLÁRNÍ SOUSTAVY ..............................................................................................38 8.5 AKUMULACE TEPLA V ZÁSOBNÍCÍCH..............................................................................................39 8.6 TEPELNÁ BILANCE SYSTÉMU ...........................................................................................................39 9 NÁVRH KOMBINOVANÉHO ZAŘÍZENÍ PRO OHŘEV TUV, VYTÁPĚNÍ A CHLAZENÍ .....40 9.1 INFORMACE O RODINNÉM DOMĚ ....................................................................................................40 9.2 POUŽITÝ SOLÁRNÍ SYSTÉM ..............................................................................................................40 9.2.1 SOLÁRNÍ KOLEKTORY .............................................................................................................41 9.2.2 ABSORPČNÍ JEDNOTKA............................................................................................................41 9.2.3 ŘÍDÍCÍ JEDNOTKA ....................................................................................................................41 9.2.4 AKUMULAČNÍ NÁDRŽ .............................................................................................................42 9.3 ZADÁNÍ VSTUPNÍCH HODNOT SOLÁRNÍHO SYSTÉMU DO EXCELU. ...............................................42 9.3.1 PŘÍPRAVA TEPLÉ VODY ...........................................................................................................42 9.3.2 VYTÁPĚNÍ OBJEKTU ................................................................................................................43 9.3.3 CHLAZENÍ OBJEKTU ................................................................................................................43 9.3.4 PARAMETRY SOLÁRNÍCH KOLEKTORŮ ...................................................................................44 9.4 ZHODNOCENÍ NAVRŽENÉHO SYSTÉMU ...........................................................................................44 10 ENERGETICKÉ ZHODNOCENÍ ......................................................................................................46 10.1 ENERGETICKÉ HODNOCENÍ SOLÁRNÍ SOUSTAVY.........................................................................46 11 FINANČNÍ ZHODNOCENÍ ................................................................................................................47 11.1 INVESTIČNÍ NÁKLADY NAVRŽENÉHO SYSTÉMU ...........................................................................47 11.2 ROČNÍ NÁKLADY NA OHŘEV TUV, VYTÁPĚNÍ A CHLAZENÍ ........................................................47 11.3 DOTACE ..........................................................................................................................................47 11.4 NÁVRATNOST SYSTÉMU .................................................................................................................48 12 ZÁVĚR...................................................................................................................................................49 POUŽITÁ LITERATURA ........................................................................................................................50

Seznam obrázků

10

SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 3-1: Tepelná bilance přeměny sluneční energie záření v atmosféře [4] ...............................15 Obr. 3-2: Energie dopadajícího slunečního záření - denní hodnoty v průběhu roku ....................16 Obr. 3-3: Roční hodnoty dopadajícího slunečního záření na území ČR [1]..................................17 Obr. 3-4: Průměrně využitelná solární energie v jednotlivých měsících roku v kW·m2 na den.[1] ................................................................................................................................................18 Obr. 4-1: Ploché solární kolektory [7] ..........................................................................................19 Obr. 4-2: Jednostěnný trubkový vakuový kolektor s tepelnou trubicí (vlevo, příčný a podélný řez) a přímo protékanou U-smyčkou (vpravo, příčný a podélný řez)[10].....................................21 Obr. 4-3: Příčný řez vakuovou Sydney trubkou s tepelnou trubicí (vlevo) a přímo protékanou Utrubkou (vpravo), přenos tepla z absorbéru (tučně zvýrazněn) zajišťuje vodivá lamela.[10]21 Obr. 4-4: Podélný řez vakuovou Sydney trubkou s tepelnou trubicí (nahoře) a přímo protékanou U-trubkou (dole)[10]..............................................................................................................22 Obr. 4-5: Umístění solárních kolektorů [1] ...................................................................................23 Obr. 4-6: Vliv azimutu a sklonu plochy [7]....................................................................................23 Obr. 4-7: Vliv sklonu plochy (azimut jih) [7].................................................................................24 Obr. 4-8: Účinnost solárního kolektoru [7] .................................................................................25 Obr. 4-9: Křivky účinnosti solárního kolektoru [7] .......................................................................26 Obr. 4-10: Křivky účinnosti různých typů solárních kolektorů [7]................................................27 Obr. 5-1: Schéma absorpčního chlazení s čerpadlem [12]...........................................................28 Obr. 5-2: Schéma absorpčního chlazení [10] ...............................................................................29 Obr. 6-1: Možnosti využití sluneční energie pro chlazení a klimatizaci [2] ..................................30 Obr. 6-2: Schéma solárního jednostupňového absorpčního cyklu [2] ..........................................31 Obr. 6-3: Adsorpční chladicí jednotka [2].....................................................................................32 Obr. 6-4: Princip desikačního solárního chlazení [2] ...................................................................33 Obr. 6-5: Chladící jednotky s chladícím výkonem 5-20 kW [15]...................................................34 Obr. 7-1: Solární soustava pro chlazení [12] ................................................................................35 Obr. 7-2: Využitelná energie slunce a spotřeba energie na ohřev TUV [7] ..................................36 Obr. 7-3: Solární soustava pro přípravu TUV, vytápění a chlazení [2] ........................................36 Obr. 9-1: Půdorys rodinného domu ...............................................................................................40 Obr. 9-2: Navrhovaný solární systém ............................................................................................40 Obr. 9-3: Absorpční jednotka Chiller ACS 08 a chladící věž RCS 08 [24] ...................................41 Obr. 9-4: Řídící jednotka [25] .......................................................................................................41 Obr. 9-5: Bilance solární soustavy.................................................................................................45

Seznam tabulek

11

SEZNAM TABULEK Tab. 3-1 Součinitel znečištění [3]...................................................................................................16 Tab. 3-2 Radiační stanice [1].........................................................................................................17 Tab. 3-3 Průměrně využitelná solární energie [1].........................................................................18 Tab. 9-1: Příprava teplé vody ........................................................................................................42 Tab. 9-2: Vytápění objektu .............................................................................................................43 Tab. 9-3: Chlazení objektu .............................................................................................................43 Tab. 9-4: Parametry solárních kolektorů.......................................................................................44 Tab. 9-5: Výsledky..........................................................................................................................44 Tab. 10-1: Energetické hodnocení solární soustavy ......................................................................46 Tab. 11-1: Investiční náklady.........................................................................................................47 Tab. 11-2: Porovnání nákladů na vytápění podle druhu paliva pro 16,86 MWh ..........................47 Tab. 11-3: Hodnocení návratnosti .................................................................................................48

12

Seznam symbolů a zkratek

SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK Značka a c cop f p q t v z A A F′ G M H Q Q& P T U V Z

α α γ ε ρ

η

τ

Veličina součinitel měrná tepelná konstanta provozní účinnost solární podíl součinitel využitelnost solárních zisků teplota přirážka na tepelné ztráty přirážka na tepelné ztráty součinitel plocha účinnostní součinitel intenzita záření hmotnostní průtok sluneční ozáření teplo, tepelná energie tepelný tok výkon termodynamická teplota součinitel prostupu tepla objem součinitel znečištění atmosféry pohltivost rovinný úhel rovinný úhel součinitel hustota účinnost propustnost

Značka jednotky 1 J·kg-1·K-1 1 1 kWh·m-2·r-1 ºC 1 m2 1 W·m-2 kg·s-1 kW·m-2 J, W·s W W K 1 m3 1 º º kg·m-3 1 -

1 Úvod

13

1 ÚVOD Díky zvyšujícím se nárokům na tepelnou pohodu a narůstající tepelné zátěži vzrostla v posledních letech zvláště ve vyspělých zemích potřeba chlazení a klimatizace v budovách. V současné době se nároky na chlazení a klimatizaci začínají objevovat nejen v administrativních budovách, ale také v bytovém sektoru. Nejčastěji používaná technologie je elektricky poháněné kompresorové chladicí zařízení. Významné nevýhody této soustavy jsou např. vysoká cena chladu a výrazná spotřeba elektrické energie pro jeho výrobu. Tyto nevýhody souvisejí s problematikou energetických špiček a následnými výpadky elektrické sítě (black-outy) v extrémech tepelné zátěže budov v letním období a dále použití chladiv s problematickým dopadem na životní prostředí. Alternativou k chladícím zařízením poháněných elektřinou (vlhčení, chlazení), aby dosáhly požadovaných parametrů (teplota, energie), jsou zařízení využívající pro pohon tepelnou energii z obnovitelných zdrojů nebo odpadní teplo.“ Jako nejlepší možnost se tedy nabízí využití sluneční energie. Výhodné je to zejména proto, že nároky na chlazení a klimatizaci v budovách závisí na slunečním záření a tepelné pohodě v budovách. „Z toho důvodu je v posledním desetiletí právě kombinace solárních tepelných kolektorů a teplem poháněné klimatizace předmětem mnoha studií, výzkumných úkolů a demonstračních projektů. [2]

2 Cíl práce

14

2 CÍL PRÁCE Cílem práce je seznámit se s problematikou využití slunečního záření pro chlazení a klimatizaci, návrhem kombinovaného zařízení solárního systému s klimatizační jednotkou pro rodinný dům, energetické a ekonomické zhodnocení navrženého systému.

3 Sluneční energie

15

3 SLUNEČNÍ ENERGIE Sluneční energie je nejčistší a nejšetrnější způsob získávání energie.

3.1 Slunce: Slunce, střed naší sluneční soustavy, je nevyčerpatelný zdroj energie. Má tvar koule s průměrem 1 400 000 km. Převážně se skládá z atomového vodíku s malou příměsí hélia a nepatrným množstvím ostatních prvků. Všechny tyto prvky se nachází ve formě plazmatu. Odhadovaná hmotnost slunce je 2.1030 kg, teplota povrchu je přibližně 6 000 K. Slunce vyzařuje do kosmického prostoru celkový energetický tok 3,8.1026 W. Zdrojem této energie je termojaderná reakce, která probíhá při fúzi vodíku na helium. Sluneční záření obsahuje rentgenové a ultrafialové záření až rádiové vlny. Z tohoto spektra záření má pro nás význam vlnový rozsah od 300 do 2500 nm, do kterého spadá přibližně 98 % energie dopadající na povrch Země.[1,3,4]

3.2 Sluneční energie na zemi: Sluneční výkon čili zářivost Slunce je 3,8.1023 kW, což je více než spotřebovává celé lidstvo dohromady. Z toho se zachytí v planetární soustavě asi 1 stomiliontina, na Zemi pouze 1 dvoumiliardtina. Množství záření, které dostáváme z celkové sluneční zářivosti, je jako kapka vody v Niagarských vodopádech. Je to však energie životně důležitá pro celou Zemi. [1,3,4] Na Obr.3-1 je znázorněna tepelná bilance přeměny slunečního záření v atmosféře. Z celkového dopadajícího záření (příkonu) cca 1,8.1014 kW (100%) se asi třetina odráží zpět do kosmického prostoru, necelá pětina je pohlcena v atmosféře a téměř polovina se přemění v teplo na povrchu Země. Asi cca 9.1010 kW se mění v chemickou energii biomasy přes fotosyntézu zelených rostlin a fotoplanktonu. Zachycená sluneční energie je pak vyzářená jako tepelné infračervené záření do kosmického prostoru.[1,3,4]

Obr. 3-1: Tepelná bilance přeměny sluneční energie záření v atmosféře [4] Intenzita slunečního záření nad zemskou atmosférou je cca 1 360 W·m-2. Tato hodnota se také označuje jako sluneční konstanta – je to množství energie dopadající za jednotku času na jednotkovou plochu mimo zemskou atmosféru. Skutečná hodnota je však jen částí této energie, ta


16

je závislá na dané lokalitě, v jaké nadmořské výšce se nachází a čistotě ovzduší. Tato omezení vyjadřuje součinitel znečištění (Z) [1,3]

Tab. 3-1 Součinitel znečištění [3] Z 2 2,5 3 4 5

Popis oblasti Místa nad 2000m Místa nad 1000m Venkov bez průmyslových exhalací Města a průmyslová střediska Silně znečistěné prostředí (krátkodobě až 8)

Celkové sluneční záření se skládá z přímého a difúzního záření. Pro přímé sluneční záření platí: -

intenzita přímého slunečního záření dopadajícího na plochu kolmou k paprskům: G PN = G0 ⋅ A − Z (W·m-2; W·m-2,1)

(3.1)

A – součinitel závisející na výšce h Slunce nad povrchem -

pro obecně položenou plochu platí: G P = G PN ⋅ cos γ (W·m-2; W·m-2,-)

(3.2)

Difúzní záření vzniká rozptylem přímého záření na oblacích a nečistotách v atmosféře a odrazem od terénu. Intenzita difúzního záření stoupá se součinitelem Z. Např. při hodnotě Z=3 obvykle nepřevyšuje hodnotu 100W·m-2. [1,3] Součet přímého a difúzního záření se označuje jako záření globální. Teoretické množství energie QTD dopadající na osluněnou plochu za den je závislá na sklonu kolektoru α (tento sklon se v průběhu roku mění, při letním provozu je α=20°až 30°, při zimním α=75°až 90° a při celoročním α=35°až 45°) a součiniteli znečištění Z. Ve střední Evropě v závislosti na ročním období a stavu atmosféry může intenzita globálního záření v poledních hodinách kolísat od 100 do 1 000 Wm-2. [1,3,4]

Obr. 3-2: Energie dopadajícího slunečního záření - denní hodnoty v průběhu roku

17


Na obr. 3-2 je znázorněna energie dopadajícího slunečního záření – denní hodnoty v průběhu roku. Také znázorňuje přibližný poměr přímého a difúzního záření. Poměr je závislý na geografických a mikroklimatických podmínkách. Ve střední Evropě tvoří difúzní záření v celoročním průměru 50 - 70 % z globálního záření, přičemž v zimě dosahuje až 90 % podíl. [1]

3.3 Solární záření v ČR Na obr.3-3 jsou zobrazeny roční hodnoty dopadajícího slunečního záření na území ČR. Roční sumy globálního záření dopadajícího na 1 m2 vodorovné plochy v ČR kolísají od 950 do 1240 kWh·m-2. [1]

Obr. 3-3: Roční hodnoty dopadajícího slunečního záření na území ČR [1]

Globální záření v ČR je měřeno sítí radiačních stanic. U vybraných stanic, které reprezentují klimatická specifika různých nadmořských výšek a zeměpisných poloh, jsou uvedeny dlouholeté průměrné roční sumy globálního záření, v tab. 3-2. Zde jsou uvedeny stanice v různých geografických polohách od nejvýše položené stanice Svratouch, její udávaná hodnota globálního záření je braná jako základ 100% pro lepší názornost porovnání. Z tabulky je zřejmé, že rozdíly hodnot jsou nepatrné a vyvrací to obecně vžitou představu o výrazných rozdílech intenzity slunečního záření v nížinách a na vrchovinách a podporuje možnost využití kolektorů na celém území ČR bez ohledu na nadmořskou výšku. [1]

Tab. 3-2 Radiační stanice [1] Svratouch (Žďárské vrchy) Luka u Litovle (Drahanská vrchovina) Košetice u Pelhřimova (Českomor. vrch.) Kuchařovice u Znojma (Dyjsko-svr. úval) Hradec Králové (Česká tabule - Polabí)

737 m n.m. 510 m n.n. 470 m n.m. 334 m n.m. 285 m n.m.

1032 kWh/m2 1049 kWh/m2 1054 kWh/m2 1115 kWh/m2 1073 kWh/m2

100 % 102 % 102 % 108 % 104 %

18


V rámci ČR je nabídka slunečního záření srovnatelná, rozdíly jsou způsobeny klimatickými podmínkami. Teplota a síla větru mohou výrazně ovlivnit ztráty na venkovní části solárního systému. Proto je pro efektivní funkci slunečního zařízení rozhodující použití kvalitních kolektorů a celého solárního systému, které zajistí maximální účinnost. [1]

3.4 Shrnutí využitelnosti solárního záření v ČR Na našem území se pohybuje roční zisk sluneční energie na jeden metr čtvereční od 945 do 1240 kWh. Tuto energii ale nezískáme všechnu. Pokud zvážíme průměrnou účinnost slunečních panelů, která je přibližně 50%, tak dospějeme k závěrům, že využitelný zisk energie za rok je průměrně 540 kWh·m-2. Výkon panelů je závislý na síle slunečního svitu. Z toho důvodu není v našich podmínkách možné pokrýt 100% spotřebu tepla jen ze slunce. Během roku je zisk slunečního záření rozdílný. V letním období máme solární energie nadbytek a v zimním období zase nedostatek. Průměrné využití solární energie je znázorněno v tab. 3-3 a na obr. 3-4 je průměrná využitelná solární energie jednotlivých měsíců během roku.

Tab. 3-3 Průměrně využitelná solární energie [1] Letní období (IV.-IX. měs.) Přechodné období Zima Průměrná účinnost solárního systému

3,5 kWh·m-2 za den 2,5 kWh·m-2 za den 1,2 kWh·m-2 za den 50%

Obr. 3-4: Průměrně využitelná solární energie v jednotlivých měsících roku v kW·m2 na den.[1]

4 Solární kolektory a soustavy

19

4 SOLÁRNÍ KOLEKTORY A SOUSTAVY Solární kolektory jsou určeny pro přímý nebo nepřímý ohřev kapaliny či vzduchu. V případě ohřáté kapaliny se teplo předává většinou z nemrznoucí směsi ve výměníku do užitkové vody nebo do systému vytápění. Nejrozsáhlejší použití je pro ohřev užitkové vody a bazénů.

4.1 Rozdělení solárních kolektorů V této době je na trhu k výběru mnoho různých typů solárních kolektorů. Liší se od sebe provedením, účinností se kterou dokážou pracovat a samozřejmě také cenou.

1. Kapalinové tepelné kolektory slunečního záření – dopadající energie slunečního záření se zachycuje kolektorem slunečního záření a odvádí teplonosnou látku. Nejpoužívanější jsou kolektory kapalinové. [5,9] 2. Soustřeďující kolektory – využívají se tam, kde chceme docílit vyšší teplotní hladiny, než jaké je možno dosáhnout u plochých kolektorů (např. technologické teplo). Kolektor je tvořen odraznými plochami, které koncentrují sluneční záření na absorbér, tvořený trubičkami protékanými teplonosnou kapalinou. [5,9] Zaměříme se na solární kolektory, které jsou vhodné pro použití v rodinných domech pro ohřev vody a vytápění ad 1.

4.1.1 Ploché deskové Základ tvoří kovový rám (1 x 2 m), ve kterém je plošně umístěna měděná trubička procházející celou plochou od vstupu k výstupu. Izolací je zde vzduch. Z vrchní strany je kolektor kryt sklem s nanesenou selektivní vrstvou vysoce absorpční látky, která zaručuje maximální pohlcení sluneční energie a minimální vyzařování zpět do prostoru. Vytváří se tak vlastně skleníkový efekt a tepelná energie se v kolektoru koncentruje. Teplo je předáno teplonosné kapalině, která je po ohřátí pomocí oběhového čerpadla vedena do tepelného výměníku, přes který se následně ohřívá voda v akumulačním zásobníku. [5,6,7,10]

Obr. 4-1: Ploché solární kolektory [7]


20

4.1.2 Ploché deskové – vakuové Tyto kolektory jsou principiálně téměř shodné s klasickými deskovými, ale pro zlepšení tepelně izolačních vlastností celého kolektoru je řešen jako vakuový, tzn. že v celém objemu kolektoru je vakuum. Díky tomu dochází k mnohem menším ztrátám tepelné energie do okolního prostředí. U některých typů kolektorů je možnost kdykoliv obnovit vakuum uvnitř kolektorů připojením na vývěvu přes přírubovou spojku uprostřed kolektoru. [5,6,7,10]

4.1.3 Trubicové vakuové U trubicových vakuových kolektorů rozeznáváme klasické, ve kterých proudí teplonosná látka, a kondenzační, kde přecházejí plynné látky do kapalného stavu.

Trubicové vakuové – klasické: Konstrukce trubicových vakuových kolektorů je založena na systému řady skleněných trubic uspořádaných konstrukčně vedle sebe. V každé trubce je vedena měděná trubička protékaná teplonosnou látkou. Tyto trubičky jsou jako-by uzavřeny v samostatných skleněných dvoustěnných vakuovaných trubicích. Tepelné ztráty trubicových kolektorů jsou díky tomu velmi malé a mohou získávat teplo i při velmi slabém slunečním záření (slunce za mrakem – difúzní záření) nebo při extrémně nízkých teplotách. Výhodou těchto kolektorů je větší energetický zisk. Nevýhodou je vyšší hmotnost, vyšší cena a teoretická možnost mechanického poškození. [5,6,7,10] Trubicové vakuové – kondenzační: Celý kolektor na první pohled připomíná běžný vakuový trubicový kolektor. Princip je však založen na kondenzačním teple, které vzniká při přechodu plynné látky do kapalného stavu. Působením slunečního záření na měděnou trubičku se začne těkavá kapalina na dně trubičky zahřívat a postupně přechází vlivem vysoké teploty do plynného stavu. V horní části kolektoru (na konci trubičky) se zchladí o vodorovně vedenou sběrnou trubku celého kolektoru, zkondenzuje a zteče zpět na dno trubičky. Při kondenzaci (změně skupenství z plynného na kapalné) se uvolní kondenzační teplo, které přes sběrnou – průtočnou trubku přejde do kapaliny celého solárního systému. Celý průběh se neustále opakuje v celé řadě trubic kolektoru najednou. Výhodou těchto kolektorů je vysoká účinnost i při zatažené obloze a skutečnost, že i při náhodném poškození jedné trubice funguje zbytek trubic kolektoru bez problémů dále (díky paralelnímu řazení trubic). [5,6,7,10]

4.1.3.1 Konstrukce trubkových vakuových kolektorů: Rozlišujeme dvě základní konstrukce: Jednostěnné trubkové kolektory – tvoří je jednostěnná skleněná vakuovaná trubka, v níž je umístěna lamela plochého absorbéru přivařená na měděné potrubí (přímo protékaná U-smyčka) nebo na výparník tepelné trubice zajišťující odvod tepla z absorbéru (viz obr. 4-2). Prostup potrubí skleněnou vakuovou trubkou je řešen speciálním těsněním sklo-kov, které zajistí dlouhodobé udržení vakua ve skleněné trubce. Tyto již klasické kolektory jsou v současnosti na vysoké technické úrovni, které však odpovídá i cena a pro většinu aplikací jde o investičně nedostupné řešení. [5,7,8,10]


21

Obr. 4-2: Jednostěnný trubkový vakuový kolektor s tepelnou trubicí (vlevo, příčný a podélný řez) a přímo protékanou U-smyčkou (vpravo, příčný a podélný řez)[10] Dvojstěnné trubkové vakuové kolektory – základní součástí je tzv. Sydney trubka, válcová dvojstěnná skleněná trubka (viz obr. 4-3), obdobná Dewarově nádobě (například součást termosek). Meziprostor mezi vnější krycí trubkou (ve funkci zasklení) a vnitřní absorpční trubkou (ve funkci absorbéru s válcovým tvarem) je vakuován. Vnější povrch vnitřní absorpční skleněné trubky je opatřen selektivním absorpčním povrchem, nejčastěji napařeným nitridem hliníku. Vakuum zajišťuje nízké tepelné ztráty z absorbéru do okolí (konvekcí, vedením), selektivní povrch zajišťuje vysokou pohltivost slunečního záření a nízkou emisivitu absorpční plochy, a tedy nízké tepelné ztráty zářením z absorbéru. Vakuová Sydney trubka se pro naprostou většinu kolektorů vyrábí v Číně, kde se buď přímo montuje do kolektorů čínské výroby nebo se dováží k evropským výrobcům trubkových kolektorů. Je nutné odlišit dva kvalitativně odlišné typy Sydney trubek z hlediska absorpčního povrchu. Sydney trubky mohou být opatřeny standardními povlaky, které vykazují pohltivost v oblasti 0,86 až 0,92 a emisivitu zhruba 0,08 (stagnační teploty okolo 200 °C) nebo vysoce kvalitními povlaky s hodnotami pohltivosti až 0,96 a emisivity okolo 0,04 (stagnační teploty 300 až 350 °C). [5,7,8,9,10]

Obr. 4-3: Příčný řez vakuovou Sydney trubkou s tepelnou trubicí (vlevo) a přímo protékanou Utrubkou (vpravo), přenos tepla z absorbéru (tučně zvýrazněn) zajišťuje vodivá lamela.[10]


22

Obr. 4-4: Podélný řez vakuovou Sydney trubkou s tepelnou trubicí (nahoře) a přímo protékanou U-trubkou (dole)[10]

Jak již bylo výše zmíněno, dále rozlišujeme ještě dva druhy provedení: systém HP (Heat Pipe) s tepelnou trubicí a DF (direkt Flow) s přímým průtokem. Systém HP (Heat Pipe) s tepelnou trubicí - kondenzátor tepelné trubice je přímo omývaný teplonosnou látkou. V případě výměny vadné trubice není oprava spojena s vypuštěním solárního okruhu a může být provedena svépomocí. Toto je hlavní výhoda tohoto provedení. Naopak umístění kolektorů do libovolné pracovní polohy není možné. Musí být umístěny výhradně ve svislé pracovní poloze (doporučuje se vysoký sklon). [7,8,10] Systém DF (direkt Flow) s přímým průtokem - má vyšší účinnost než systém HP, ale nevýhodou v případě výměny vadné trubice je oprava spojena s vypuštěním solárního okruhu a nelze ji provést svépomocí. [7,8,10]

4.2 Umístění slunečních kolektorů Jedním ze základních pravidel pro využívání sluneční energie je správná orientace solárního kolektoru. Umístění kolektoru má velký vliv na získání energie. Sluneční kolektory pro největší efektivnost mají být nasměrované na jih (viz obr.4-5). Odchylka 20 ve směru na východ či západ nemá velký vliv na výkon kolektoru. Maximální přípustná odchylka je 45 . ve směru na východ či západ (pro dodržení požadovaného výkonu je pak nutné zvětšit počet kolektorů).[1,3,10] Dalším důležitým parametrem je sklon kolektoru α, tento sklon se volí podle využívání sluneční energie, při letním provozu je α=20° až 30°, zimním α=75° až 90° a při celoročním α=35° až 45°.[1,3] Pro lepší představu jaký má vliv natočení a sklon kolektorů znázorňuje obr. 4-6 a obr. 4-7.


Obr. 4-5: Umístění solárních kolektorů [1]

Obr. 4-6: Vliv azimutu a sklonu plochy [7]

23


24

Obr. 4-7: Vliv sklonu plochy (azimut jih) [7]

4.3 Účinnost solárních kolektorů Na obr. 4-8 je znázorněno rozložení ztrát a účinnosti. Účinnost je definovaná jako poměr mezi energií získanou (tepelný zisk) a energií dodanou (dopadající sluneční záření). Účinnost také můžeme určit na základě fyzikálních vlastností částí kolektoru, viz rov. 3.1., kde F´- je účinnostní součinitel kolektoru, závisí na geometrii a tepelných vlastnostech absorbéru. τ - je propustnost slunečního záření zasklení, α - je pohltivost slunečního záření absorbéru, U - je součinitel prostupu tepla kolektoru, Tm - je střední teplota teplonosné látky v kolektoru Tm = (Tk 1 + Tk 2 ) / 2 (vstupní a výstupní teploty), Te - teplota okolí (v některé literatuře je označována jako Ta). [5,7,8,9,10]



(Tm − Te )



G

η = F ′ ⋅ τ ⋅ α − U ⋅

τ , α a U je dáno Sydney trubkou.

 

(1; -, -, 1, W·m-2·K-1, K, K, W·m-2)

(4.1)


25

Obr. 4-8: Účinnost solárního kolektoru [7]

Experimentální stanovení účinnosti: Při experimentálním stanovení účinnosti solárního kolektoru pomocí zkoušky tepelného výkonu podle normy [11] za daných okrajových podmínek (především ozáření G > 700 W/m2 a rychlost větru w > 3 m/s) se vychází z definice účinnosti. [5,7,8,9,10]

η=

Q& u c ⋅ M (Tk 2 − Tk 1 ) = Ak ⋅ G Q& s

(1; W, W; J·kg-1·K-1, kg·s-1, (4.2) K, K, m2, W·m-2)

kde c je měrná tepelná kapacita teplonosné látky

Vyhodnocení účinnosti: Na základě výsledků modelování nebo naměřených hodnot účinnosti se vyhodnocuje křivka účinnosti v závislosti na redukovaném teplotním spádu (rozdílu mezi referenční teplotou kolektoru a teplotou okolí poděleném slunečním ozářením). Někteří dodavatelé solárních kolektorů uvádějí pouze jednu hodnotu účinnosti, zpravidla maximální hodnotu, které se v provozu prakticky nedosahuje. Taková "informace" o účinnosti kolektoru má sama o sobě nulovou vypovídající hodnotu, neříká nic o tepelně technických vlastnostech kolektoru. [5,7,8,9,10] Křivka účinnosti se vyjadřuje nejčastěji v závislosti na redukovaném teplotním spádu mezi teplonosnou látkou a okolím:  Tm − Te    G 

η = f

(1; K, K, W·m-2)

(4.3)


26

Jako regresní křivka 2. řádu, proložená naměřenými hodnotami ze zkoušky tepelného výkonu kolektoru, ve tvaru: T − Te  T − Te  η = η 0 − a1 ⋅ m − a2 ⋅ G ⋅  m  G  G 

2

(1; 1, W·m-2·K-1, K, K, W·m-2, W·m-2·K-2, (4.4) W·m-2, K, K, W·m-2)

V rovnici regresní paraboly vyjadřuje konstanta ηo optickou účinnost solárního kolektoru, směrnice a1 vyjadřuje tepelné ztráty solárního kolektoru (součinitel prostupu tepla) a křivost a2 vyjadřuje zvýšení tepelných ztrát vlivem sálání. Toto vyjádření je vhodné především pro projektování. Při návrhu potřebné plochy kolektorového pole projektant odhadne podle typu aplikace kolektoru návrhovou střední teplotu teplonosné látky v kolektoru Tm (zpravidla průměrná teplota v solární soustavě), na jejímž základě stanoví účinnost kolektoru pro návrhové podmínky z rov. 4.4. [5,7,8,9,10] Hodnoty η 0 , a1, a2 udává výrobce, dodavatel kolektoru, případně zkušebna proložení naměřených hodnot parabolickou křivkou. [5,7,8,9,10, 11] Na obr. 4-9 je znázorněna křivka účinnosti [11].

Obr. 4-9: Křivky účinnosti solárního kolektoru [7] V grafu na obr. 4-10 jsou znázorněny křivky účinnosti různých typů solárních kolektorů. Nárůst teploty má vliv na tepelné ztráty z kolektoru do okolí, při vyšších teplotách rostou tepelné ztráty sáláním se 4. mocninou rozdílu teplot (zakřivení průběhu). Nezasklené kolektory mají vysokou optickou účinnost, ale s vysokými tepelnými ztrátami, které jsou ovlivňovány rychlostí proudění okolního vzduchu. U kvalitních kolektorů s nízkými tepelnými ztrátami (selektivní absorbér, vakuový kolektor) klesá účinnost s rostoucím teplotním spádem pomalu. V grafu jsou vyznačeny typické rozsahy použití kolektorů v základních aplikacích. [5,7,8,9,10]


27

Obr. 4-10: Křivky účinnosti různých typů solárních kolektorů [7]

4.4 Zhodnocení Vyrábí se několik typů slunečních kolektorů. Každý má své plusy a mínusy. Kolektory vybíráme dle požadavku systému, v kterém budou pracovat. Například pro celoroční využívání v našich podmínkách se nejvíce hodí trubicové vakuové kolektory cena 1 m2 se pohybuje okolo 10 000 Kč. Naopak jen pro letní chod se využívají ploché deskové cena 1 m2 je 4 až 6 tisíc korun. Na internetových stránkách lze najít různé prodejce, kde se můžeme dozvědět technické parametry nabízených slunečních kolektorů (účinnost, sluneční zisky, dosažitelné teploty ohřívaného média, rozměry atd.) a například i parametry pro sestrojení křivky účinnosti.

5 Princip absorpčního chlazení

28

5 PRINCIP ABSORPČNÍHO CHLAZENÍ Absorpční chlazení pracuje na principu, při kterém se plynné chladivo nejdříve pohlcuje a následně vypuzuje z pomocné kapaliny.

5.1 Co je absorpční oběh? Je to zvláštní typ chladících oběhů, využitelné pro změnu tepelné energie mezi různými teplotními úrovněmi. Základním principem absorpčních oběhů je nahrazení komprese par chladiva za pomoci tří termochemických kroků: absorpcí v roztoku, přečerpáním na vyšší tlakovou úroveň a desorpcí par z roztoku. Tento postup umožňuje realizovat transformaci tepelné energie na vyšší teplotní úroveň s řádově menší spotřebou elektrické energie než tradiční oběh kompresorový. [12]

5.2 Jak pracuje absorpční oběh? „V absorpčním oběhu koluje chladivo a absorpční látka. Páry chladiva uvolněné ve výparníku (V) jsou absorbovány v absorbéru (A) do kapalné absorpční látky (absorbentu). V průběhu tohoto děje dochází k uvolnění absorpčního tepla Q2, které musí být z absorbéru odvedeno. Vzniklá kapalná směs je čerpadlem dopravena do části oběhu s vyšším pracovním tlakem. Následným zvýšením teploty směsi v desorbéru (D), za pomoci tepla QH, jsou páry chladiva vypuzeny z absorpční kapaliny. Vypuzená pára je vedena do kondenzátoru (K), kde kondenzuje při kontaktu s chladným povrchem odvádějícím teplo Q1. Chladivo v kapalné formě dále prochází přes škrtící ventil do výparníku (V). Zde vlivem sníženého tlaku dochází k varu chladiva při nízké teplotě a ochlazované látce je odnímáno teplo QC. Páry chladiva poté uzavírají svůj pracovní cyklus absorpcí v absorbéru. Oddělenou větví se z desorbéru, přes škrtící ventil, vrací do absorbéru absorpční kapalina, ochuzená o vypuzené chladivo.“ [12]

Obr. 5-1: Schéma absorpčního chlazení s čerpadlem [12]

5.3 Absorpční systém Tento systém se využíval například u starších chladniček, kde zdrojem tepla byla topná spirála. Nyní se můžeme setkat také s plynovými chladničkami. Výhodou tohoto systému je bezhlučný chod. Systém pracuje tak, že chladící látka (např. amoniak) přichází z absorpční nádoby do varníku, kde je ohřívána. Z varníku stoupají páry chladící látky vzhůru do kondenzátoru a slabý roztok chladící látky jde do trubice. Vzduch cirkulující žebry kondenzátoru ochlazuje páry

5 Princip absorpčního chlazení

29

chladící látky a mění ji na tekutinu, která teče přes expanzní ventil do výparníku. Ve výparníku je látka, která zapříčiňuje snížení tlaku (např. vodík), chladící látka se vypařuje a odebírá teplo z okolí a pokračuje dále do absorpční nádoby, kde se od sebe oddělí obě látky (vodík a amoniak) a cyklus se opakuje.[10,12]

Obr. 5-2: Schéma absorpčního chlazení [10]

5.4 Porovnání absorpčního systému s kompresorovým Kompresorový systém – základem je okruh s chladícím médiem a kompresor. Kompresor vtlačuje chladicí médium v plynném stavu do výměníku, který je tvořen dlouhou tlusto-stěnnou kovovou trubicí. Ve výměníku se plyn ochladí a změní na kapalinu. Přebytečné teplo odevzdává kapalina okolí. Pak se kapalina dostává do výparníku, který má ve svých stěnách trubici s větším průřezem než byl ve výměníku. V tomto prostoru se pro kapalinu prudce sníží tlak, tím i teplota varu a kapalina se začne vypařovat. Potřebné skupenské teplo odebírá z vnitřku ledničky. Pak je plyn přiváděn zpět ke kompresoru a cyklus se opakuje.[10] Absorpční systém má na rozdíl od kompresorového nižší účinnost a není schopen dosáhnout tak nízkých teplot. Výhodou je bezhlučný chod, neobsahuje pohyblivé součásti (vyšší spolehlivost) a nemusí být nutně napájena elektřinou – může být poháněn pouze teplem. [10]

6 klimatizační jednotky pro využití solárních systému

6

30

KLIMATIZAČNÍ JEDNOTKY PRO VYUŽITÍ SOLÁRNÍCH SYSTÉMU

„Na obr.6-1 jsou uvedeny různé technologie využití sluneční energie pro chlazení a klimatizaci. Některé technologie jsou aplikovatelné již dnes (např. absorpční chladicí jednotky s kapalným sorbentem v uzavřeném cyklu nebo otevřený cyklus s desikačním rotačním výměníkem), jiné jsou ve stádiu výzkumu a vývoje (otevřený cyklus s kapalným sorbentem, uzavřený cyklus s tuhým sorbentem) a některé jsou pouze hypotetické z hlediska omezené využitelnosti v praxi (fotovoltaickými články poháněné kompresorové chladicí jednotky). Středem zájmu jsou v současné době především technologie využívající teplo ze solárních kolektorů pro „výrobu” chladicí vody, úpravu vzduchu (klimatizaci) nebo kombinaci obou. Z hlediska způsobu zacházení s chladivem je možné rozlišit systémy s uzavřeným nebo otevřeným cyklem.“ [2]

Obr. 6-1: Možnosti využití sluneční energie pro chlazení a klimatizaci [2]

6.1 Principy systémů 6.1.1 Systémy s uzavřeným cyklem „Systémy s uzavřeným cyklem se používají pro výrobu chladicí vody s použitím v jakémkoli typu klimatizačního zařízení.“ [2]

6.1.1.1 Absorpční uzavřený cyklus „Absorpční chladicí jednotky jsou obecně známé a zavedené na trhu, především v USA a Asii. Absorpční cyklus je v podstatě podobný parnímu kompresorovému cyklu. Zásadním rozdílem je způsob stlačení chladiva (viz obr. 6-2, v levé části schématu). V absorpční jednotce je


31

stlačení chladiva (komprese) docíleno nejprve rozpuštěním chladiva v kapalném sorbentu v absorbéru (absorpční teplo je odvedeno), a poté je bohatý roztok přečerpán na vyšší tlak běžným oběhovým čerpadlem. Chladivo s nízkým bodem varu je vypuzeno z roztoku teplem dodaným ze solárních kolektorů do desorbéru (generátoru). Tímto způsobem je chladivo stlačeno bez vysoké spotřeby mechanické práce jako u parních kompresorových cyklů. Páry chladiva se poté srážejí v kondenzátoru (kondenzační teplo je odvedeno) a po expanzi na nízký tlak se opět vypařují ve výparníku. Tím je zajištěn chladící účinek a ve výparníku je odebíráno teplo vodě určené pro účely chlazení (výroba chladu). Páry chladiva jsou potom navráceny do roztoku v absorbéru, kde se znovu rozpouštějí. Mezi absorbérem a de-sorbérem se oběhovým čerpadlem dopravuje bohatý a ochuzený roztok s rekuperací tepla v tepelném výměníku.“ [2] „V zásadě se používají dvě kombinace pracovních látek (roztok / chladivo): LiBr / H2O pro teploty chladicí vody od 6 do 20 °C a H2O / NH3 pro teploty od -60 do 20 °C. Chladicí faktory jednostupňových cyklů se pohybují mezi 0,6 a 0,7 pro teploty teplonosné látky solárního okruhu 80 až 100 °C. Relativně nízký chladicí faktor a s ním souvisící potřeba velké plochy solárních kolektorů u jednostupňového cyklu lze zlepšit vícestupňovým cyklem, avšak při vyšších provozních teplotách: dvojstupňový cyklus s chladicím faktorem 1,0 až 1,4 při 120 až 170 °C, trojstupňový cyklus s chladicím faktorem 1,7 při teplotách nad 200 °C. U vícestupňových cyklů jde v principu o využití tepla uvolněného v absorbéru k pohonu přídavných desorbérů, zvyšujíc (dvakrát, třikrát) množství vypuzeného chladiva z roztoku bez další potřeby tepla. Ačkoli tato zařízení byla vyvinuta pro použití s plynem jako zdrojem tepla, lze je adaptovat pro použití s vysokoteplotními solárními kolektory (vakuové, koncentrační).“ [2] „Absorpční chladicí jednotky jsou používány ve většině současných provozovaných solárních klimatizačních systémů. Jednotky jsou na trhu dostupné především ve výkonových řadách nad 200 kW, pouze malá část je vyráběna ve výkonech pod 100 kW. Výzkum se v současné době zaměřuje na ekonomicky přijatelné chladící jednotky s malým výkonem pod 10 kW a dostatečnou účinností při nízkých teplotách zdroje tepla (levné solární kolektory).“ [2]

Obr. 6-2: Schéma solárního jednostupňového absorpčního cyklu [2]

6.1.1.2 Adsorpční uzavřený cyklus „Na rozdíl od absorpčního cyklu, který využívá kapalného roztoku v adsorpčním cyklu je kapalné chladivo adsorbováno do vysoce porézní pevné látky. Dvojice látek používané


32

v adsorpčních systémech jsou voda-silikagel či voda-zeolit. Schematický nákres adsorpční chladicí jednotky je uveden na obr.6-3. Chladivo pohlcené v porézní struktuře jedné z komor (desorbéru) je vypuzeno teplem přivedeným ze solárních kolektorů, čímž dojde k regeneraci desorbéru. Páry chladiva se potom srážejí v kondenzátoru v horní části jednotky (kondenzační teplo je odvedeno). Zkondenzované chladivo (kondenzát) je rozprášeno do výparníku, kde se odpařuje za nízkého tlaku. Ve výparníku se připravuje chladicí voda pro použití v klimatizaci. Poté je chladivo adsorbováno v druhé komoře a adsorpční teplo je odvedeno. Když je cyklus dokončen (adsorbér je naplněn chladivem, desorbér je regenerován) a chladivo je uvedeným způsobem přeneseno z jedné komory do druhé, funkce obou komor se mezi sebou vymění. Adsorbér se stává desorbérem a naopak, čímž se dosáhne kvazi-kontinuálního provozu chladicí jednotky.“ [2] „Adsorpční chladicí jednotky vyrábí pouze několik výrobců (Japonsko). Vysoké náklady, vysoká hmotnost a objem jsou zatím hlavními nevýhodami těchto zařízení. Na druhé straně, adsorpční jednotky mohou pracovat při teplotách solárního okruhu 60–80 °C a dosáhnout v této oblasti vyšších chladicích faktorů než absorpční jednotky (0,3 až 0,7). To je výhodné pro použití běžných solárních kolektorů.“ [2]

Obr. 6-3: Adsorpční chladicí jednotka [2]

6.1.2 Desikační systémy s otevřeným cyklem „Desikační systémy jsou obecně otevřené sorpční cykly, kde chladivem je voda v upravovaném vzduchu. Název „otevřený cyklus” napovídá, že chladivo (voda, resp. vodní pára) je po zajištění chladícího účinku ze systému odvedeno a nahrazeno novým. Desikant (sorbent, hygroskopický materiál), který zajišťuje výměnu citelného a skupenského tepla v upravovaném proudu vzduchu, může být buď tuhý nebo kapalný. V obou typech systémů upravovaný vzduch nejdříve prochází odvlhčovačem, kde ztrácí vlhkost a poté prochází několika procesy (ohřev, vhlkost), než je dopraven do klimatizovaného prostoru. Desikant je regenerován venkovním nebo odpadním vzduchem ohřátým na vysokou teplotu teplem ze solárních kolektorů.“ [2] „Desikační systémy s otevřeným cyklem mají oproti uzavřeným systémům několik výhod: provoz za atmosférického tlaku, kromě chlazení zajišťuje i odvlhčení upravovaného vzduchu; ale


33

také nevýhod: velké průtoky vzduchu spojené s vysokými parazitními ztrátami, možná kontaminace desikantu nečistotami a prachem (omezení životnosti). Chladicí faktory se pohybují od 0,5 do 1,0.“ [2]

Obr. 6-4: Princip desikačního solárního chlazení [2]

6.1.2.1 Systémy s tuhým desikantem „Desikační systémy s tuhým sorbentem jsou v oblasti klimatizace běžnou a odzkoušenou technologií především pro větší budovy. Tuhý desikant (silikagel, zeolit) je zpravidla nanesen na voštinové kolo (rotační entalpický výměník) rotující mezi dvěma proudy vzduchu: čerstvým a odpadním. Polovina kola vysušuje proud čerstvého vzduchu a druhá odevzdává adsorbovanou vlhkost odpadnímu vzduchu.“ [2] „Na obr.6-4 je znázorněno typické uspořádání klimatizační jednotky s rotačním entalpickým a rekuperačním výměníkem. Venkovní čerstvý vzduch přichází do jednotky, kde se v rotačním desikačním výměníku vysušuje a ohřívá. Poté je vzduch ochlazen v rotačním rekuperačním výměníku a doplňkovém chladicím zařízení (adiabatická pračka vzduchu, zvlhčovač) a případně se dohřívá (v zimě) na požadované parametry. Odpadní vzduch je nejdříve ochlazen (adiabatická pračka vzduchu), aby mohl dále ochladit čerstvý vzduch v rekuperačním rotačním výměníku. Předehřátý vzduch z rekuperačního rotačního výměníku prochází tepelným výměníkem (ohřívačem) a je ohříván teplem ze solárních kolektorů. Odpadní vzduch ohřátý na teplotu požadovanou pro regeneraci – vysušení (50 až 140 °C) desikantu odvádí vlhkost z desikačního výměníku do venkovního prostředí.“ [2]

6.1.2.2 Systémy s kapalným desikantem „Kapalné desikanty, které absorbují vodu, jsou obvykle stejné jako se používají v absorpčních systémech (LiBr, LiCl). Principem desikačního systému s kapalným sorbentem je hybridní cyklus založený na absorpčním uzavřeném cyklu (absorpce a vypuzování vodní páry v roztoku) a otevřeném desikačním cyklu (úprava čerstvého vzduchu pro klimatizaci).“ [2]


34

„Takový systém přináší několik výhod, především vnitřní rekuperaci tepla mezi bohatým zahřátým roztokem a chudým studeným roztokem ve výměníku tepla, jednoduchou cirkulaci sorbentu kapalinovým čerpadlem, nízkou tlakovou ztrátu vlivem dobrého kontaktu kapalinavzduch, a tedy nízké parazitní ztráty. Zásoby koncentrovaného roztoku mohou sloužit jako akumulátory pro výrobu chladu. Pokud je k dispozici sluneční energie, je možné připravit zásobu koncentrovaného roztoku a využít ho pro chlazení v pozdější době. Desikační systém s kapalným sorbentem má také určitý čisticí účinek na přiváděný vzduch. Na druhé straně jednou z hlavních nevýhod je potenciální odvádění desikantu vzduchem, což může vést ke ztrátě desikantu a kontaminaci přiváděného čerstvého vzduchu.“ [2] „Bohužel, na trhu zatím nejsou k dispozici desikační systémy s kapalným sorbentem využitelné pro klimatizaci budov. Z toho vyplývá i mizivý počet solárních klimatizačních systémů využívajících kapalné desikanty.“ [2]

6.2 Dostupné a vyvíjející se chladící jednotky na trhu Tímto tématem se zabývá mnoho různých institucí. V praxi se využívají převážně dva systémy a to s tuhým sorbentem, otevřeným cyklem nebo s kapalinovým sorbentem, uzavřeným cyklem. Na trhu jsou pouze systémy s vysokým chladícím výkonem od 50 kW a více. Systémy pracující s výkony od 5 do 20 kW jsou ve stádiu zkušebního provozu či jen výroby na zakázku, na obr. 6-5 jsou výrobky různých firem. [2, 10, 15]

Obr. 6-5: Chladící jednotky s chladícím výkonem 5-20 kW [15]

7 Solární soustavy

35

7 SOLÁRNÍ SOUSTAVY Využívá se několik různých typů solárních soustav. Nejjednodušší soustava solárního systému je solární kolektor, absorpční chladící jednotka a klimatizační jednotka. Naopak nejsložitější solární soustavou je ohřev TUV (teplé užitkové voda), vytápění a chlazení. Výhodou solárního chlazení je, že nutnost chlazení je závislá na venkovních podmínkách. Při vysokých venkovních teplotách, kdy je potřeba velké množství energie pro chlazení, bude solární systém dosahovat extrémních zisků. Naproti tomu největší nevýhodou při použití solárního systému a absorpční jednotky je, že solárním kolektorům při zvyšující se provozní teplotě klesá účinnost a naopak u absorpční jednotky s rostoucí pracovní teplotou účinnost stoupá. Nejekonomičtější provozní teplota se pak stanovuje z grafu závislosti účinnosti solárního sytému a chladícího faktoru COP na provozní teplotě.

7.1 Pouze chlazení Jedná se o nejjednodušší systém, kde se využívá pro pohon absorpčního chladícího oběhu tepla dodaného vodou ohřátou v solárních kolektorech (s teplotou cca 90°C). Ve výparníku absorpčního oběhu dochází k ochlazování chladicí vody rozváděné do chladicích jednotek v objektu. Ve srovnání s kompresorovým chlazením je výhodou solárního absorpčního chlazení nízká spotřeba el. energie (max. 5 % chladícího výkonu), vyšší životnost zařízení a minimální údržba. [12]

Obr. 7-1: Solární soustava pro chlazení [12]

7.2 Ohřev TUV a chlazení Systémy jen pro ohřev TUV dosahují solárního podílu 50 až 70% . Na obr. 7-1. je zobrazena energie, kterou poskytuje solární soustava a energie, kterou spotřebujeme pro ohřev TUV. Pokud bychom k tomuto systému přidali i chlazení, bylo by potřeba zvýšit provozní teplotu. Pro ohřev TUV nám stačí 45 – 60 °C. Například jednostupňové absorpční chladicí jednotky s nízkým chladicím faktorem začínají typicky na 80 °C, desikační klimatizační zařízení mohou

7 Solární soustavy

36

být provozovány už od 60 °C. V některých případech by se musela zvětšit plocha solárních kolektorů pro zajištění energie pro TUV a chlazení. [7, 10] Tento systém je nevýhodný.

Obr. 7-2: Využitelná energie slunce a spotřeba energie na ohřev TUV [7]

7.3 Ohřev TUV, vytápění a chlazení Udává se, že ve střední Evropě tvoří zhruba 1/3 solárních instalací kombinované solární soustavy pro přípravu TUV a přitápění, u kterých se v závislosti na okrajových podmínkách (technické parametry budovy, klimatické podmínky, návrh soustavy) dosahuje solárního podílu od 20 do 45 %. Tyto solární soustavy jsou předimenzované díky krytí potřeby tepla v zimním období a v letním období vykazují vysoké energetické zisky, které je nutné mařit. Tyto letní přebytky lze využít k chlazení. Na obr. 7-3 je znázorněna solární soustavu pro přípravu TUV, vytápění a klimatizaci. [2, 10] Zatímco pro velké administrativní budovy je možné využít chladicí jednotky standardních výkonových řad, pro potenciální aplikace pro běžné bytové a rodinné domy jsou potřeba chladicí jednotky s nízkým chladicím výkonem (2 až 10 kW). Akumulační zásobník se záložním zdrojem tepla umožňuje překlenout případnou nesoučasnost odběru tepla i chladu. [2]

Obr. 7-3: Solární soustava pro přípravu TUV, vytápění a chlazení [2]

8 výpočet kombinovaného zařízení pro ohřev tuv, vytápění a chlazení

37

8 VÝPOČET KOMBINOVANÉHO ZAŘÍZENÍ PRO OHŘEV TUV, VYTÁPĚNÍ A CHLAZENÍ Soustavu je nutné dimenzovat s ohledem jak na zimní vytápění, tak na letní chlazení. Prvním krokem je určení bilance systému (tepelných zisků solární soustavy, spotřebu tepla pro dané aplikace) [2, 10, 16, 17]

8.1 Teplo potřebné k přípravě teplé vody Stanovuje se na základě reálných údajů (spotřebě, teplotě vody a tepelné ztráty)

Q p ,TV = (1 + z ) ⋅

n ⋅ VTV ,den ⋅ ρ ⋅ c ⋅ (t TV − t SV ) 3,6 ⋅ 10

6

(kWh·měs-1; -, -,m3,kg·m-3·den, J·kg-1·K-1,°C,°C) (8.1)

kde: z n VTV,den ρ c tSV tTV

přirážka na tepelné ztráty (z = 0,15 – 3), počet dní v měsíci, průměrná denní spotřeba teplé vody, hustota vody, měrná tepelná kapacita vody, teplota studené vody, teplota teplé vody.

Lze jej vypočítat i pomocí programu na internetu [17].

8.2 Teplo potřebné k vytápění Tato hodnota muže být uvedena v projektu stavby, lze ji vypočítat pomocí programu na internetu [17], nebo určit pomocí vztahu:

(tip − t ep ) Q p ,VYT = (1 + v ) ⋅ 24 ⋅ n ⋅ ε ⋅ Q& z ⋅ (kWh·měs-1; -, -, -, kW, °C, °C, °C, °C) (t iv − t ev ) kde: v n ε Q&

přirážka na tepelné ztráty (v = 5%), počet dní v měsíci, korekční součinitel (ε = 0,5 – 0,75), z

tip tep tiv tev

jmenovitá (výpočtová) tepelná ztráta objektu, střední vnitřní teplota v daném měsíci, střední venkovní teplota, výpočtová vnitřní teplota, výpočtová venkovní teplota.

(8.2)


38

8.3 Teplo potřebné na výrobu chladu Určíme ho pomocí chladícího faktoru COP, ze vztahu: Q p ,CH =

Pch ⋅ t ch (kWh·měs-1; kW, -, h) COP

(8.3)

kde: Pch chladící výkon jednotek, COP chladící faktor, počet hodin provozu v daném měsíci. tch Obecně se udává, že klimatizační jednotky pracují cca 8 hodin denně a 60 dní za rok.

8.4 Tepelné zisky solární soustavy Vypočítají se z technických parametrů solárního kolektoru a z klimatických údajů oblasti, kde se bude soustava nacházet. Účinnost kolektoru stanovíme dle rov. 4.4 pro jednotlivé měsíce v roce. Teoretický měsíční využitelný tepelný zisk ze solárních kolektorů Qku [kWh/měs] je dán vztahem: Qku = 0,9 ⋅η k ⋅ n ⋅ H T ,den ⋅ Ak ⋅ (1 − p ) (kWh·měs-1; -, -, kWh·m-2,m2, -)

(8.4)

kde:

ηk n HT,den Ak p

průměrná denní (měsíční) účinnost solárního kolektoru, počet dní v měsíci, skutečná denní dávka slunečního ozáření, plocha apertury solárního kolektoru, hodnota srážky tepelných zisků z kolektoru vlivem tepelných ztrát solární soustavy.

Využitelný zisk solární soustavy je průnik křivky spotřeby tepla a teoretický využitelný zisk: Qss ,u = min (Qku ; Q p ,c ) (kWh·měs-1; kWh, kWh)

(8.5)

Celoroční využitelný zisk solární soustavy: XII

q ss ,u =

∑Q I

Ak

ss ,u

(kWh·m-2·rok-1; kWh, m2)

(8.6)


39

Solární podíl (pokrytí celkové spotřeby tepla) f = 100 ⋅

Qss ,u Q p ,c

(%; kWh·m-2·rok-1, kWh·m-2·rok-1)

(8.7)

8.5 Akumulace tepla v zásobnících V solárních obvodech se pro zajištění tepla v ranních a večerních hodinách a při neslunečných dnech používají akumulační nádrže. Hodnotu naakumulovaného tepla určíme ze vtahu:

Q A = c ⋅ ρ ⋅ V ⋅ (t 2 − t1 ) (J; J·kg-1·K-1, kg·m-3, m3, °C, °C)

(8.8)

kde:

c ρ V t1 t2

měrná tepelná kapacita, hustota vody, objem zásobníku, teplota na počátku, teplota na konci.

8.6 Tepelná bilance systému Pro stanovení vstupních a výstupních energií můžeme sestavit bilanční rovnici (zanedbáváme ztráty v potrubí a akumulačních zásobnících): Qku + Qe = Q p ,TV + Q p ,VYT + Q p ,CH

kde: Qe

(kWh, kWh; kWh, kWh, kWh)

teplo dodané el. ohřevem.

Na základě těchto vztahů byly vytvořeny výpočetní tabulky v Microsoft Office Excelu.

(8.9)

9 Návrh kombinovaného zařízení pro ohřev tuv, vytápění a chlazení

40

9 NÁVRH KOMBINOVANÉHO ZAŘÍZENÍ PRO OHŘEV TUV, VYTÁPĚNÍ A CHLAZENÍ Pro výpočet využijeme vytvořených tabulek v Microsoft Office Excelu, který se skládá ze tří záložek. V první záložce se vyplňují parametry a požadavky solárního systému. Druhá záložka obsahuje tabulku s výpočty, graf a výsledné údaje o systému. Třetí záložka obsahuje výpočet akumulačních zásobníků. [16, 18]

9.1 Informace o rodinném domě Půdorys a orientace domu je znázorněná na obr. 9-1, sedlová střecha pod úhlem 35°. Dům se nachází jižně od Brna. V domě žije čtyřčlenná rodina. Tepelná ztráta byla vypočítána na 6,5 kW. Je požadováno chlazení v obývacím pokoji a v pokojích 1 a 2. Potřebný chladící výkon je 5,4 kW (určen pomocí [20, 21]).

Obr. 9-1: Půdorys rodinného domu

9.2 Použitý solární systém Solární systém je složen z trubicových vakuových kolektorů, absorpční jednotky s chladící věží, dvou akumulačních zásobníků a řídící jednotky (obr. 9-2).

Obr. 9-2: Navrhovaný solární systém


41

9.2.1 Solární kolektory Zvolil jsem vakuové trubicové solární kolektory, neboť dosahují větších ročních solárních zisků a pracují s vyššími provozními teplotami (až 130 °C), než ploché deskové solární kolektory. Solární kolektory jsem vybíral na základě porovnání ročních zisků, ceny a celkové zabrané plochy. Plocha v tomto případě sehrála významnou roli, protože jsme omezeni rozměry střechy. Při použití levných a méně účinných standardních solárních kolektorů sice vyšla celková cena o něco menší, ale skutečná plocha kolektoru by byla potřeba až dvojnásobná. Vybíral jsem spíše z nejnovějších modelů, které využívají nových technologií a dosahují vyšších solárních zisků. Celková cena solárních kolektorů je o 1-2 % vyšší než u starších solárních kolektorů, neboť se jedná o novinky na trhu. Tato investice navíc se ale vrátí v provozních nákladech, které jsou nižší. Na základě těchto poznatků jsem vybral vakuové solární kolektory SVB 26 od společnosti BAXI. Technické parametry solárního kolektoru naleznete v příloze 1.

9.2.2 Absorpční jednotka Absorpční jednotku volíme pomocí potřebného chladícího výkonu, který byl určen 5,4 kW. Informace o jednotkách tak malého výkonu není mnoho, a proto nebyla možnost velkého výběru. Zvolil jsem absorpční jednotku Chiller ACS 08 od výrobce SorTech AG, která má chladící výkon 5 – 10kW. K této jednotce je dodávaná i příslušná chladící věž. Technické parametry absorpční jednotky a chladící věže naleznete v příloze 2. [24, 25]

Obr. 9-3: Absorpční jednotka Chiller ACS 08 a chladící věž RCS 08 [24]

9.2.3 Řídící jednotka Společnost SolarNext vyrábí řídící jednotky k absorpčním systémům a je kompatibilní s absorpční jednotkou ACS 08. Je to více-funkční zařízení, které vyhodnocuje jednotlivé teploty v různých částech systému a reguluje průtoky. [25]

Obr. 9-4: Řídící jednotka [25]


42

9.2.4 Akumulační nádrž Význam akumulačních nádrží spočívá v nutnosti vytvořit si zásobu energie na dobu s nízkým solárním ziskem. Solární soustava získává energii od svítání do stmívání. Tato energie samozřejmě není rozložena rovnoměrně. To by způsobovalo, že ráno a k večeru by bylo energie nedostatek a kolem poledne zase přebytek. Proto tuto přebytečnou energii akumulujeme v akumulačních zásobnících pro další využití.

9.2.4.1 Akumulační zásobník tepla s vnitřním zásobníkem Je určen pro zásobu tepla pro vytápění, TUV a absorpční jednotku. Vnitřní zásobník je využíván pro TUV. Zásobník je vybaven dvěma výměníky a elektrickou topnou spirálou. Výkon topné spirály je závislý na potřebném příkonu pro absorpční jednotku.

9.2.4.2 Akumulační zásobník chladu Použití akumulačního zásobníku chladu přináší tyto výhody: -

dochází k plynulejší regulaci,

-

absorpční jednotka nemusí pracovat nepřetržitě (úspora energie z oběhových čerpadel a chladící věže),

-

absorpční jednotka dosahuje vyšší účinnosti (v zásobníku se akumuluje vyšší teplota),

-

zvýší se množství akumulované energie pro chlazení.

9.3 Zadání vstupních hodnot solárního systému do Excelu. V první záložce s názvem Zadání se vyplňují pole, která jsou žlutá a modrá. Modrá pole jsou pro předem dané koeficienty a lze je vyhledat v tabulkách na pravé straně, žlutá pole jsou pro individuální hodnoty.

9.3.1 Příprava teplé vody Tab. 9-1 : zde volíme počet osob v objektu, spotřebu vody na jednu osobu, teplotu studené vody (od 8 až 15 °C), teplotu teplé vody (od 45 až 60 °C) a přirážku na tepelné ztráty při přípravě teplé vody. Standardní hodnota používaná v energetických simulacích je 15 °C pro studenou vodu a 60 °C pro teplou vodu.

Tab. 9-1: Příprava teplé vody Počet osob Spotřeba vody na jednotku Denní spotřeba teplé vody V Studená voda tw1 (8 až 15ºC) Teplá voda tw2 (45 až 60ºC) Přirážka na tep. ztráty při přípravě teplé vody z

4 40 160 10 60 0,3

jednotek l/os.den l/den ºC ºC


43

9.3.2 Vytápění objektu Základním údajem pro výpočet potřebného tepla na vytápění je tepelná ztráta domu. Tato hodnota bývá součástí projektů při zateplování. Pro staré stavby je zapotřebí si nechat tuto hodnotu vypočítat. Další zadávanou hodnotou je vnitřní výpočtová teplota. Pohybuje se od 18 do 20 °C. Standardní hodnota používaná v energetických simulacích je 20 °C. Venkovní výpočtovou teplotu, energetickou náročnost budovy a srážku s tepelných zisků kolektorů vlivem tepelných ztrát určíme z tabulek v Excelu. Střední vnitřní teplota v daném měsíci se udává 20 °C. Přirážka na tepelné ztráty se volí 5 %. Tab. 9-2: Vytápění objektu Tepelné ztráty domu Qz Vnitřní výpočtová teplota tiv (18 až 22ºC) Venkovní výpočtová teplota tev Energetická náročnost budovy (vytápění) ε Srážka z tepelných zisků kolektorů vlivem tep. ztrát p Střední vnitřní teplota v daném měsíci tip Přirážka na tepelné ztráty v

6,5 20 -12 0,6 0,1 20 5

kW ºC ºC

ºC %

9.3.3 Chlazení objektu Zde je nutné vědět celkový chladící výkon. Tuto hodnotu si můžeme buď nechat vypočítat od nějaké firmy zabývající se chlazením a klimatizací, nebo určit sami pomocí programů na internetu [20,21]. Zde zadáváme rozměry místností, plochu oken, orientaci venkovních zdí, počet osob v místnosti atd. V našem případě jsem pomocí programu na internetu určil tyto hodnoty: -

obývací pokoj

2,5kW

-

pokoj 1

1,5kW

-

pokoj 2

1,4kW

-

celkem

5,4kW

Solární chladící faktor COP (coefficient of performance - poměr okamžitého chladícího výkonu k příkonu, odebraného k pohonu zařízení), tento parametr získáme z absorpční jednotky. Doba chodu klimatizační jednotky se udává cca 8 h. za den. Dále předpokládáme, že chlazení bude zapotřebí od červena do srpna. V Excelu v záložce Výsledky je sloupec s označením tch,den,max. Tato hodnota udává maximální počet hodin chodu chlazení za pomocí solárního systému pro daný měsíc. Tab. 9-3: Chlazení objektu Celkový výkon chlazení Pch COP Doba chodu za den

5,4 kW 0,6 8 h


44

9.3.4 Parametry solárních kolektorů V této části doplňujeme parametry solárních kolektorů. Průměrnou teplotu v solárních kolektorech určíme z tabulky v Excelu. Dále si volíme počet kolektorů. Zde je dobré pracovat s grafem v záložce Výpočty, kde názorně vidíme kolik energie je využito. Pomocí změny počtu kolektorů dosáhneme optimálního výsledku pokrytí spotřeby energie solárním systémem. Zde doporučuji, aby energie potřebná k chlazení byla z velké části pokryta solárním systémem. Absorpční jednotka má COP cca 5 krát menší než kompresorová. Z toho vyplívá, že na výrobu 1 kW chladu spotřebuje absorpční jednotka 5 krát více energie než kompresorové chlazení. Pokud bude potřeba do systému dodávat velké množství energie mohl by se stát ekonomicky nevýhodný. Další parametry související se solárními kolektory jsou v záložce Výpočty střední denní sluneční ozáření GT,m a skutečná denní dávka slunečního ozáření HT,den. Tyto hodnoty jsou závislé na lokalitě, ve které se vyskytují a na různé sklony a orientaci plochy kolektorů. [16, 18, 23] Zadané parametry v Excelu jsou pro okolí Brna, sklon kolektorů 35° a jejich orientace přímo na jih. Tab. 9-4: Parametry solárních kolektorů Optická účinnost η0 Lineární součinitel tepelné ztráty kolektoru a1 Kvadratický součinitel tepelné ztráty kolektoru a2 Počet kolektorů Plocha apertury solárního kolektoru Ak1 Celková plocha apertury kolektorů Průměrná teplota v solárních kolektorech tkm

0,605 0,85 0,01 17 2,23 37,91 50

W/m2.K W/m2.K2 m2 m2 ºC

Zde je možnost experimentovat s různými typy kolektorů a vybrat si pak ten, který pro nás vychází nejvýhodněji.

9.4 Zhodnocení navrženého systému Pro zhodnocení solárního systému nás hlavně zajímá solární podíl. Ten udává, kolik procent energie ušetříme solárním systémem. Na obr. 9-5 je vidět bilance energií. Tab. 9-5: Výsledky Měrný energetický zisk ze solární soustavy qss,u Celkový energetický zisk ze solární soustavy Qss Solární pokrytí (podíl solární soustavy) f Energie dodaná do soustavy Qe

436,6 16550 70,5 6938

kWh/m2.rok kWh/rok % kWh/rok

Z tab. 9-5 vyplívá, že solární systém pokrývá 70,5 % nákladů na ohřev TUV, vytápění a chlazení. Solárním systémem získáme 16550 kWh energie a 6938 kWh energie musíme do systému dodat.

45


V Excelu jsou pak další informační výsledky, např. solární podíl na ohřev TUV a vytápění, využitelnost solárních zisků atd. V třetí záložce Akumulační zásobníky vypočítáváme, jaké maximální množství energie lze akumulovat v jednotlivých zásobnících.

Qku (kWh) Qp,c (kWh)

E n e r g ie ( K W h )

3000

Qss,TV+VYT (kWh) Qss,měs (kWh)

2500 2000 1500 1000 500 0 1

2

3

4

5

6

7

8

Měsíc Obr. 9-5: Bilance solární soustavy

9

10

11

12

46

10 Energetické zhodnocení

10 ENERGETICKÉ ZHODNOCENÍ Absorpční chladící jednotky malých výkonů dosahují chladícího faktoru od 0,5 do 0,7. Běžně používané technologie pro chlazení (kompresorové) mají chladící faktor od 2,8 do 3,5. Z toho vyplývá, že absorpční zařízení potřebuje na výrobu chladu 5 krát více energie. Absorpční chlazení je tedy energeticky nevýhodné. Pokud ale zdrojem pro absorpční jednotku bude odpadní teplo nějakého systému, které by jinak bylo nevyužito, pak se stane zařízení energeticky výhodné. Tímto systémem může být právě solární, ve kterém je při celoročním provozu nadbytek energie v letních měsících.

10.1 Energetické hodnocení solární soustavy V tab. 10-1 jsou vypočítané hodnoty tepla daného systému určitého měsíce. Teoretický roční využitelný zisk solárních kolektorů Qku je 19 878 kWh, teplo potřebné k přípravě teplé vody Qp,TV je 4 906 kWh, teplo potřebné k vytápění Qp,VYT je 11 958 kWh, teplo potřebné pro výrobu chladu Qp,CH je 6 624 kWh, celková spotřeba tepla Qp,c je 23 487 kWh, celkový využitý solární zisk Qss 16 550 kWh a teplo potřebné dodat do systému Qe je 6 938 kWh.

Tab. 10-1: Energetické hodnocení solární soustavy měsíc 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Celkem

Q ku,měs kWh 549 884 1538 2085 2573 2565 2795 2594 1849 1432 614 400 19878

Q p,TV kWh 417 376 417 403 417 403 417 417 403 417 403 417 4906

Q p,VYT kWh 2047 1720 1600 1032 609 0 0 0 470 1009 1548 1923 11958

Qp.CH kWh 0 0 0 0 0 2160 2232 2232 0 0 0 0 6624

Qp,c kWh 2464 2096 2016 1435 1026 2563 2649 2649 873 1426 1951 2340 23487

Q ss,měs kWh 549 884 1538 1435 1026 2563 2649 2594 873 1426 614 400 16550

Qe kWh 1915 1212 479 0 0 0 0 55 0 0 1337 1940 6938

11 Finanční zhodnocení

47

11 FINANČNÍ ZHODNOCENÍ V rámci průzkumu v Evropě bylo zjištěno, že průměrná cena investičních nákladů na absorpční chlazení pro rok 2008 byla 4 500 EUR/kW (112,5 tis. Kč/kW). S výhledem do budoucnosti se předpokládá, že cena investičních nákladů absorpčního chlazení bude 3 000 EUR/kW (75 tis. Kč/kW). [24, 25]

11.1 Investiční náklady navrženého systému V tab. 11-1 jsou předpokládané investiční náklady navrženého systému. Ceny byly určeny na základě skutečných hodnot výrobku či jemu podobných. Náklady související se systémem byly stanoveny na základě jiných solárních projektů. Do investičních nákladů není započítána cena topného a chladícího systému. Tyto soustavy se neliší od soustav, které by byly použity např. při ohřevu TUV a vytápění pomocí plynového kotle a chlazení pomocí kompresorového systému s jednou venkovní jednotkou. Tyto ceny nejsou zapotřebí k výpočtu návratnosti soustavy. [1, 10, 20, 21, 24, 25, 26, 28, 29, 30, 31, 32, 33] Tab. 11-1: Investiční náklady Celková cena solárních kolektorů (cena jednoho kolektoru 23 300,-) Akumulační zásobník tepla Akumulační zásobník chladu Sada chillii Cooling Kit STC8 (absorpční jednotka, chladící věž a regulační systém) Náklady související se systémem (potrubní rozvody, oběhová čerpadla, montáž) Celkové investiční náklady

396,1 tis.Kč 60 tis.Kč 12,5 tis.Kč 100 tis.Kč 55 tis.Kč 623,6 tis.Kč

11.2 Roční náklady na ohřev TUV, vytápění a chlazení Na ohřev TUV a vytápění je potřeba 16,86 MWh energie. Na základě výpočtového programu na porovnávání nákladů na vytápění podle druhu paliva [27] jsem určil ceny, tab. 11-2. Náklady pro chlazení jsou určeny na základě průměrného ročního příkonu klimatizačních jednotek. Roční náklady pro chladící výkon 5,4 kW jsou 4 500 Kč. [21]

Tab. 11-2: Porovnání nákladů na vytápění podle druhu paliva pro 16,86 MWh Hnědé uhlí Zemní plyn Elektřina - akumulace Elektřina - přímotop

15 328 Kč 25 771 Kč 34 734 Kč 42 430 Kč

11.3 Dotace V ČR jsou pro solární systémy stanoveny maximální dotace z programu Zelená úsporám pro rodinné domy 55 000 Kč při ohřevu TUV a 80 000 Kč pro ohřev TUV a přitápění. [18]

48

11 Finanční zhodnocení

Dá se očekávat, že v budoucnu bude stanovena dotace i pro využití solárního chlazení. Nyní lze žádat o dotaci 80 000 Kč, neboť náš systém ohřev TUV a přitápění obsahuje.

11.4 Návratnost systému Úsporu na ohřev TUV a vytápění jsem určil z ceny nákladů při použití zemního plynu. Vypočítaná úspora solárním systémem je 59,2 %. Z toho vyplívá, že úspora je 15 256 Kč za rok. U chladícího systému předpokládáme, že energie potřebnou pro chlazení je plně pokrytá solárním systémem. Úspora pro chlazení je tedy 4 500 Kč za rok. Je nutno také přihlédnout k nákladům na provoz solárního systému, ty jsou cca 3 000 Kč za rok. Provozní náklady byly stanoveny na základě solárních projektů. [1, 26, 30, 31, 32] Pro výpočet návratnosti systému dále předpokládáme, že cena energie bude stoupat o cca 5 % ročně. Dále se nám nabízí možnost využití odpadního tepla z absorpční jednotky k přihřívání venkovního bazénu. Úspora by se pohybovala okolo 3 500 Kč za rok. [31]

Tab. 11-3: Hodnocení návratnosti Celkové investiční náklady na instalaci solárního systému Náklady na provoz solárního systému Dotace Úspory za vytápění domu a ohřev TUV Úspora za chlazení domu Úspora za přihřívání bazénu Roční úspora (s přihříváním bazénu) Roční úspora (bez přihřívání bazénu) Návratnost (s přihříváním bazénu) Návratnost (bez přihřívání bazénu)

623 600 Kč 3 000 Kč 80 000 Kč 15 256 Kč 4 500 Kč 3 500 Kč 20 256 Kč 16 756 Kč 18 let 20 let

Investiční náklady po odečtení dotací činí 543,6 tis. Kč. Návratnost tohoto systému je 20 let a s přihříváním bazénu 18 let. Udává se, že nové špičkové solární systémy mají životnost 30 a více let. Z toho vyplívá, že daný systém není prodělečný a minimálně dalších 10 let nám bude přinášet úsporu. Ceny investičních nákladů s vyhlídkou do budoucnosti budou klesat, tím pádem se bude i zkracovat doba návratnosti systému a zvyšovat úspora energie.

12 Závěr

49

12 ZÁVĚR Diplomová práce se zabývá návrhem kombinovaného zařízením pro ohřev TUV, vytápění a chlazení. V první části práce jsem se věnoval jednotlivým prvkům systému. Dále jsem pokračoval návrhem a výpočtem. Poslední část se zabývá investičními náklady a návratností celého systému. Pro návrh kombinovaného zařízení jsem vytvořil výpočetní tabulky v Excelu. S jejich pomocí lze určit parametry nové solární soustavy v průběhu několika minut. Navržený systém se skládá ze 17 vakuových solárních kolektorů SVB 26, které zabírají 43,7 m2 střechy; absorpční jednotky ACS 08 s chladícím výkonem 5 – 10 kW a COP = 0,6; chladící věže RCS 08; regulační jednotky; akumulačního zásobníku tepla (bojler) o objemu 1000/160 litrů a akumulačního zásobníku chladu o objemu 500 litrů. Navržená solární soustava má celkový měrný roční solární zisk 524,3 kWh·m-2·r-1. Dosažený zisk je nižší než předpokládaná průměrná hodnota solárního zisku v ČR. Je to způsobeno vysokou průměrnou teplotou v solárních kolektorech. Solární soustava využívá 83,3 % celkového zisku. Výsledkem kombinovaného solárního systému je úspora 70,5 % nákladů na ohřev TUV, vytápění a chlazení. Celkový využitý energetický zisk ze solární soustavy je 16 550 kWh a do systému je potřeba dodat 6 938 kWh energie. Investiční náklady navrhovaného systému po odečtení předpokládaných dotací jsou 543,6 tis.Kč. Investiční náklady na 1 kW chladícího výkonu jsou 100,7 tis.Kč/kW (4 026 EUR/kW). S výhledem do budoucnosti se předpokládá, že cena investičních nákladů absorpčního chlazení bude 75 tis.Kč/kW (3 000 EUR/kW). Návratnost tohoto systému je 20 let. Udává se, že nové špičkové solární systémy mají životnost 30 a více let. Systém není prodělečný a minimálně dalších 10 let nám bude přinášet úsporu. Cena investičních nákladů s vyhlídkou do budoucnosti bude klesat, tím pádem se bude i zkracovat doba návratnosti systému a zvyšovat úspora energie. Absorpční systém je energeticky nevýhodný při porovnání s kompresorovým chlazením. Absorpční chlazení má 5 krát větší spotřebu energie. Je výhodné ho používat tam, kde nám vzniká odpadní teplo a pokrývá nám z velké části vstupní energii pro absorpční jednotku. Nejvýhodnější by bylo navrhnout systém pouze pro ohřev TUV a vytápění, ale s vyšší provozní teplotou. Odpadní teplo by se využilo pro absorpční chlazení a zbylou potřebnou energii pro chlazení by zajišťoval kompresorový systém. Tato možnost bude realizovatelná, pokud se na trhu objeví absorpční jednotky s chladícím výkonem 1 – 3 kW. Systémy solárního chlazení jsou nyní převážně ve zkušebním provozu, vyrábí se jen na zakázku a od toho se odvíjí i vysoká pořizovací cena. Veřejnost s touto možností doposud nebyla seznámena, což souvisí zejména s tím, že absorpční jednotky malých výkonů nejsou vyráběny sériově. Systém je ekonomicky výhodný, ale investiční náklady jsou vysoké a ne každý by si je mohl dovolit. Navíc v České republice je málo domácností, které by využívaly klimatizační jednotky. Systém bude využíván tehdy, pokud se stane dostupnější a cenově výhodnější. K této práci je přiloženo CD, na kterém se nachází tato práce ve formátu PDF a soubor „Výpočtový program.xls“, který obsahuje výpočtové tabulky pro kombinovaný solární systém pro ohřev TUV, vytápění a chlazení.

Použitá literatura

50

POUŽITÁ LITERATURA [1]

SolarHitGAS KOMPLET s.r.o.. SolarHit - Solární panely a solární kolektory [online]. [cit. 2009-10-01]. Dostupný z WWW: .

[2]

MATUŠKA, Tomáš . Využití sluneční energie pro chlazení a klimatizaci v budovách [online]. 2007 , 29.6.2007 [cit. 2009-10-11]. Dostupný z WWW: .

[3]

Prezentace k malým zdrojům

[4]

Program: První česká multimediální ENCYKLOPEDIE ENERGETIKY v1.0, SIMPO, s.r.o. 1999

[5]

BROŽ Karel; ŠOUREK Bořivoj. Alternativní zdroje energie. Vydavatelství ČVUT, Praha, 2003, ISBN 80-01-02802-X

[6]

Energetický poradce PRE. Solární kolektory [online]. 2009 [cit. 2009-11-21]. Dostupný z WWW:

[7]

MATUŠKA Tomáš; Solární kolektory a solární soustavy pro obytné budovy. Prezentace [online]. [cit. 2009-11-21]. Dostupný z WWW: < http://www.csvts.cz/csse/Udalosti/2009/Strechy/Matuska_Solarni_kolektory_tepelne_soust avy.pdf >.

[8]

MATUŠKA Tomáš; ŠOUREK Bořivoj. Zkušenosti ze zkoušení vakuových trubkových solárních kolektorů. Prezentace [online]. [cit. 2009-11-21]. Dostupný z WWW: .

[9]

RYBÁR Pavol; TAUŠ Peter, RYBÁR Radim. Alternatívne zdroje energie I. Sluneční energie, elfa, s.r.o., Košice, 2001, ISBN 80-89066-16-X

[10] Tzb-info, [online]. [cit. 2009-11-10]. Dostupný z WWW:< http://www.tzb-info.cz/> [11] ČSN EN 12975-2:2006 Tepelné solární soustavy a součásti – Solární kolektory – Část 2: Zkušební metody [12] POSPÍŠIL Jiří . Absorpční oběhy [online]. 2009 , 30.7.2009 [cit. 2009-10-21]. Dostupný z WWW: [13] ÚSTAV TECHNIKY PROSTŘEDÍ; ČVUT PRAHA [online]. [cit. 2009-10-11]. Dostupný z WWW: [14] CIHELKA Jaromír; Solární tepelná technika, Nakladatelství T. Makina, Praha, 1994, ISBM 80-9000759-5-9 [15] SOLAR THERMAL ASSISTED AIR-CONDITIONING , Helsinki,[online]. 2007 [cit. 2010-04-15]. Dostupný z WWW: [16] MATUŠKA Tomáš; Zjednodušený výpočtový postup energetického hodnocení solárních soustav; ČVUT PRAHA , [online]. 2009, [cit. 2010-04-15]. Dostupný z WWW: [17] REINBERK Zdeněk; Potřeba tepla pro vytápění a ohřev teplé vody, ČVUT, [online]. [cit. 2010-04-15]. Dostupný z WWW:

Použitá literatura

51

[18] ZELENÁ ÚSPORÁM; [online]. [cit. 2010-04-15]. Dostupný z WWW: [19] OBRÁZEK; Venkovní výpočtové teploty, [online]. [cit. 2010-04-16]. Dostupný z WWW: [20] QPRO; Technické prostředí [online]. [cit. 2010-04-16]. Dostupný z WWW: [21] KOSTEČKA; Kostečka Grup spol. s.r.o. [online]. [cit. 2010-04-16]. Dostupný z WWW: [22] HIRŠ Jiří; Vzduchotechnika v příkladech 1, Akademické nakladetelství, 2006, ISBN 7204-486-9

80-

[23] PHOTOVOLTAIC GEOGRAPHICAL INFORMATION SYSTEM; [online]. [cit. 2010-04-18]. Dostupný z WWW: [24] SORTECH AG; [online]. [cit. 2010-04-18]. Dostupný z WWW: [25] SOLARNEXT; [online]. [cit. 2010-04-18]. Dostupný z WWW: [26] SHC; Solar heating & cooling programma, [online]. [cit. 2010-04-18]. Dostupný z WWW: <www.iea-shc.org> [27] POROVNÁNÍ NÁKLADŮ NA VYTÁPĚNÍ PODLE DRUHU PALIVA; [online]. [cit. 2010-04-19]. Dostupný z WWW: [28] KONEX; [online]. [cit. 2010-04-19]. Dostupný z WWW: [29] DRÁŽICE; Družstevní závody Dražice-strojírny, s.r.o., [online]. [cit. 2010-04-19]. Dostupný z WWW: [30] SPOLEČNOST BAXI [online]. [cit. 2010-04-19]. Dostupný z WWW: [31] DEMONSTRAČNÍ PROJEKT; [online]. 2001, [cit. 2010-04-19]. Dostupný z WWW: [32] VERMOS; Vermos, s.r.o., [online]. [cit. 2010-04-20]. Dostupný z WWW: [33] ENTROPY PRODUCTION; Solar thermal cooling, [online]. [cit. 2010-04-20] ]. Dostupný z WWW: <entropyproduction.blogspot.com/2005/10/solar-thermal-coolinq.html>

Přílohy

Příloha 1: Parametry vakuového solárního kolektoru SVB 26.

52

Přílohy

Příloha 2: Parametry absorpční jednotky a chladící věže ACS 08 / RCS 08

53

Přílohy

54

VYUŽITÍ SLUNEČNÍ ENERGIE PRO CHLAZENÍ A KLIMATIZACI

Recommend Documents